柔性直流输电技术发展现状及技术研究

吴美娴

（国家电网福建仙游县供电有限公司,福建 莆田 351200）

柔性直流输电技术发展现状及技术研究

吴美娴

（国家电网福建仙游县供电有限公司,福建 莆田 351200）

摘要：与传统高压直流输电相比，基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）是近年来发展起来的一种新型直流输电技术。本文首先对柔性直流输电系统的发展现状及研究热点进行了概述；总结了VSC-HVDC的技术特点；阐述了VSC-HVDC系统的组成部分及其相应的功能。其次，推导了VSC-HVDC系统的数学模型。最后，说明了VSC-HVDC系统的基本控制方式。

关键词：柔性直流输电；数学模型；瞬时无功功率理论

0　引言

当前，在能源紧缺和环境污染的问题日益严重的形势下，我国在可再生能源发电方面的投入不断扩大，如风力发电，太阳能发电等。但由于可再生能源发电存在发电容量较小、输出功率不稳定、分布范围广泛和远离负荷中心等特点，如果采用交流输电技术或者是传统的直流输电技术，将存在有很多固有的缺陷。一些无源负荷，如小的岛屿、海上钻探平台等，目前大多采用本地发电装置，这既不经济，又将造成环境的污染；另外，随着城市负荷的快速增长，扩充电网的容量势在必行，但由于城市人口增加和人们对城区合理规划要求的提高，一方面要求充分利用已有的输电走廊，另一方面要将大量的配电网架空线路改为电缆转入地下，采用VSC-HVDC可以很好地解决这些问题。

1　VSC-HVDC发展现状

自1997年第一个工程开始试运行以来，VSC-HVDC技术在世界范围内一直受到广泛的关注。目前，其在基础理论和工程实用化方面的研究都比较深入。前些年，国际大电网会议组织成立了专门研究VSC-HVDC的系列工作组，并进行了相应的研究工作，最近又成立了名为“B4-48”的工作组。这个工作组有我国专家牵头，重点研究系统组件的试验方法、应力模型等方面。为了解决实际工程中面临的难题，目前的研究热点有：如何提高VSC-HVDC的容量、降低造价和线路损耗、提高可靠性和安全性以及支持交流电网、与交流电网相互作用等。

由于VSC-HVDC采用由全控电力电子器件，其灵活性和可控性等诸多优点使它被看好成为传统高压直流输电的理想替代品。国内VSC-HVDC的研究起步晚于国外，但是目前也成为了一个研究的热点。2011年7月，上海南汇风电场VSC-HVDC工程投入正式运行，这成为我国第一条拥有完全自主知识产权的VSC-HVDC输电线路[3]。

鉴于我国的研究缺乏足够的工程经验，进行VSC-HVDC系统的实验研究仍然十分必要。目前以下一些问题仍值得深入的研究[4]：

（1）VSC-HVDC系统基本控制的内涵是VSC-HVDC系统稳态时的功率控制，一个双入双出的非线形、非解耦控制对象构成了其模型的主体，因此，加强稳态控制策略的研究有很大的实际意义。

（2）一定程度的不对称性是配电网的常态，但微弱的不对称性也会对VSC产生很大的影响，尤其是给直流线路电压带来二倍频波动，这些波动会传播到另一侧的交流系统，从而使电能的质量和系统稳定性受到波及。因此，研究适当不对称情况下的控制策略来适应配电网控制的需要显得迫在眉睫。

（3）VSC-HVDC系统的保护问题目前还有很大的可提升空间。从换流器的角度看，VSC-HVDC换流器的直流侧并联有大电容，可视作电压源，而传统HVDC换流器的直流侧串联有大电感，可认定成电流源。这两者的差异使得VSC-HVDC的直流侧保护成为一个新的研究领域。

2　VSC-HVDC的技术特点

与传统的HVDC相比，VSC-HVDC有以下技术特点[6]：

（1）VSC可以向无源网络送电：传统的HVDC受端必须是有源网络，而VSC由于采用IGBT、GTO等具有可关断能力的全控型器件，不需要提供外加换相电流，因此受端系统可以是无源网络。VSC可以为远距离的孤立负荷送电，克服了HVDC的不足。

（2）VSC控制功率更加灵活：传统HVDC只有触发角这一个控制量，有功功率与无功功率变化相互影响，而基于PWM的VSC有出口电压基频分量幅值与相位这两个控制变量，可以实现在控制有功功率的同时，还可控制无功功率的交换，控制更加灵活方便。

（3）VSC能提高系统的电压稳定性：VSC可以四象限运行，当故障发生时，VSC不仅可以向故障系统提供有功支援，还可以提供无功支持，起到静止同步补偿器的作用，从而提高系统的功角稳定性和电压稳定性。

（4）可实现并联多端直流系统：传统HVDC潮流反转时，电流方向不变而电压反转，因此并联多端HVDC系统潮流控制不便，而串联连接时可靠性又不高，不适用于大电网互联。与传统的HVDC恰恰相反，VSC潮流反转时，其直流电流方向反转而电压极性保持不变，应用此特点设计的并联多端直流系统，兼具潮流控制灵活、可靠性高的优势，VSC系统扩建方便。

3　VSC-HVDC系统组成

VSC-HVDC系统主要由交流源、变压器、电抗器、交流滤波器、VSC换流站、直流电容、直流电缆等几部分组成。

4　VSC-HVDC系统数学模型

定义uca、ucb、ucc分别是换流器一侧三相电压的瞬时值，usa、usb、usc分别是交流侧三相电压的瞬时值，ia、ib、ic分别是流过换流器的三相电流，Udc是直流电压，L是换流变压器的电感，R是换流器和变压器的等效电阻。由图1可以得出交流侧的动态微分方程：

写成矩阵形式再整理成向量形式为：

上述模型是建立在三相静止坐标系上的，但是由于所涉及的变量过多，解析的时候会有很大的难度，所以需要把它变换到dq坐标轴下方便我们研究。变换的方法就是寻找一个过渡矩阵，由于变换前后系统的功率是保持不变的，而我们根据研究对象的不同选择不同的坐标系，使得经过变换后的新的坐标系下的表达式中一些变量会变成零，这样就达到了降阶并且解耦的目的。

实现三相静止坐标系（abc）与两相旋转坐标系之间互相转换矩阵为：

经变换后可得dq旋转坐标系下的柔性直流输电系统的数学模型为：

根据瞬时功率理论，通过向量定位，可以进一步简化其数学模型。当d轴以电网电压向量定位时，usq=0，则上式可以写成：

在交流系统比较大时，usd为恒定值。由此可知，经过dq转换后，可以通过控制id、iq、来分别控制有功功率和无功功率，达到了功率独立解耦的目的。

5　VSC-HVDC系统基本控制方式

柔性直流输电系统的根本任务就是在保证直流线路上有功平衡的基础上实现两端系统的功率交换，而且每个换流站都可以单独控制无功潮流，这就能够给系统提供无功支持。为了实现有功平衡，一个换流站必须利用直流控制器来控制直流电压，而另外一个换流站则利用攻略控制器让有功维持在一个恒定值左右。因为所采用的PWM控制技术能够很好的完成有功、无功的独立解耦，所以不用改变直流电压而是通过控制站端交流电压来控制无功功率。

利用矢量控制技术的柔性直流输电系统的控制系统是采用双闭环控制，也就是内环控制回路和外环控制回路。

外环控制的主要目的是给内环控制回路提供参考电流Idq_ref。其中的Id_ref能够控制有功潮流和直流电压，而Iq_ref能够控制无功潮流和交流电压。柔性直流输电的控制方式一般有、定直流电压控制、定交流电压控制、定有功功率控制、定无功功率控制，不同的场合下应采用不同的控制方式。

内环控制主要是根据外环输出的电流进行电流控制，以快速跟踪和控制电流幅值和相位。将所产生的电压信号输送给PWM产生脉冲信号输送给VSC，这样就达到了控制整个输电系统的目的。

6　结论

本文对柔性直流输电系统的发展过程及其现实情况和VSC-HVDC的特性和构成做了阐述并以此为基础推导出了VSC-HVDC系统在dq坐标系下的数学模型及算法。最后，对VSC-HVDC系统及此系统的双闭环控制方式做了总结和归纳。

参考文献：

[1]范心明，管霖，何健明.多电平柔性直流输电定有功功率与频率辅助控制[J].电网技术，2012，36（09）：182-186.

[2]胡兆庆，毛承雄，陆继明，等.一种新型的直流输电技术-HVDC Light[J].电工技术学报，2005，20（07）：12-16.

[3]何斌，张秀彬，赵兴勇.电压不对称条件下电压源换流器式高压直流输电的自适应无源控制[J].电网技术，2007，31（14）：68-73.

[4]吴俊宏，艾芊.多端柔性直流输电系统在风电场中的应用[J].电网技术，2009，33（04）：22-27.

[5]康金良.基于VSC-HVDC的风电场联网控制策略研究[D].华北电力大学，2011.

[6]刘洪涛.新型直流输电的控制和保护策略研究[D].浙江大学，2003.